3D-печать на основе микросетки для инженерии микротканей

Биопечать широко применяется для создания каркасов в тканевой инженерии и моделей тканей в лаборатории. Однако относительно низкое разрешение и большое время изготовления могут ограничивать её применение для клеточных исследований.

В новой работе, опубликованной в Nature Asia Materials, Бёнджун Ли и команда учёных из Сеульского национального университета представили метод гибридной биопечати с помощью 3D-микросетки (Hy-MAP). Он сочетает цифровую проекционную литографию, 3D-печать каркасов-микросеток и последовательное нанесение гидрогелей.

Новый метод позволяет быстро создавать совместные культуры клеток с помощью инъекции, погружения и дренирования. Работа способствует созданию сложных 3D-структур из гидрогелей в мезомасштабе — от 2D-микрофлюидных каналов до 3D-сетей каналов.

Ли и коллеги установили правила проектирования для печати Hy-MAP с помощью аналитических и экспериментальных исследований. Метод может стать альтернативной техникой для создания имплантируемых конструкций в тканевой инженерии и для приложений типа «орган-на-чипе».

Создание 3D-платформ на основе микросетки (3D MMP)

В этой работе Ли и др. представили новую концепцию Hy-MAP, чтобы объединить высокоточные 3D-печатные микросетчатые структуры с быстрым нанесением гидрогеля на основе капиллярного клапана. Это формирует 3D-платформу (3D-MMP), удерживающую жидкость в заданных областях с помощью высокоразрешающей цифровой проекционной печати. Команда также разработала метод инжекции жидкости в простой канал для нанесения гидрогелей и клеток, используя сетчатый каркас для удержания жидкости за счёт поверхностного натяжения.

Удержание жидкости в структуре 3D-микросетки

Поскольку поверхностное натяжение между жидкостью и твёрдой поверхностью микроструктур может способствовать сохранению формы жидкости ниже определённого предела давления, Ли и др. разработали микросетчатую структуру для управления поведением микрожидкостей или капель внутри 3D-канала.

Команда использовала фотополимеризуемую смолу для создания микросетки. Полученная 3D MMP имела толщину 200 мкм, а жидкость внутри сохраняла выпуклую наружу форму из-за поверхностного натяжения. Сканирующая электронная микроскопия показала материал высокой точности без дефектов.

Теория и эксперименты с капиллярным давлением прорыва (CBP)

Чтобы заполнить жидкостью заданные позиции, команда показала, что давление, прикладываемое к микросетке, должно быть ниже капиллярного давления прорыва (CBP), которое увеличивается с уменьшением размера ячейки сетки.

Команда провела несколько анализов, чтобы показать, как CBP меняется в зависимости от размера зазора при удержании воды внутри простых микросетчатых ячеек разной формы и размера. На основе этих принципов Ли и др. создали широкий спектр микрофлюидных каналов. Метод Hy-MAP также оказался эффективен для селективного нанесения жидкости и формирования сложного 3D-канала.

Нанесение клеток для приложений тканевой инженерии

Учёные разработали ряд 3D-методов нанесения для удержания жидкостей и клеток, инкапсулированных в гидрогель. Используя метод Hy-MAP, они представили сложное клеточное нанесение как потенциальную альтернативу 3D-биопечати.

Для завершения культивирования клеток Ли и др. создали компартментализованную структуру для селективного нанесения нескольких типов клеток. Они подготовили смесь клеток и гидрогелей перед ферментативным гелеобразованием и провели множество исследований совместного культивирования с эндотелиальными клетками, стромальными клетками и раковыми клетками.

Во время экспериментов они вводили фибриновый гель с клетками в трёхканальную микросетчатую платформу, внутри которой культивировали 3D-васкулятуру для облегчения васкулогенеза. Аналогично была построена микросетчатая платформа для экспериментов по совместному культивированию опухоли и васкулятуры. Исследования показали, как клетки можно культивировать с помощью нескольких методов, эффективно интегрируя Hy-MAP в тканевую инженерию.

Перспективы

Таким образом, Бёнджун Ли и коллеги представили новую гибридную систему биопечати с 3D-принтером и методом нанесения для применения потока жидкости в механике жидкостей и формирования микромасштабных жидкостных паттернов в платформах для культивирования клеток.

Команда преодолела ограничения обычных систем биопечати, заполняя жидкостью простой канал или канал любой другой конфигурации, чтобы удерживать жидкости внутри сетчатого каркаса с помощью поверхностного натяжения для создания жидкостных или гидрогелевых паттернов.

Эта установка эффективна для разнообразных 3D-организованных многокомпонентных платформ для культивирования клеток в клеточной биологии, тестах на эффективность и токсичность лекарств. Она подходит для передовых приложений «лаборатория-на-чипе» и «орган-на-чипе», а также для биоразлагаемых микросетчатых материалов, разработанных для регенеративной тканевой инженерии.